DOI: https://doi.org/10.1186/s12951-025-03189-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39972358
تاريخ النشر: 2025-02-19
المؤلف: Jianlong Ji وآخرون
الموضوع الرئيسي: الكيمياء التحليلية وأجهزة الاستشعار
نظرة عامة
تتناول ورقة البحث تطوير مستشعر إنزيمي قابل للارتداء يستخدم ترانزستورات كهربائية عضوية (OECTs) لمراقبة مستمر لمستقلبات العرق، والتي تشير إلى حالات صحية مختلفة. تركيز الجلوكوز في العرق، على سبيل المثال، يعمل كعلامة حيوية للسكري، بينما يمكن أن تشير مستويات اللاكتات غير الطبيعية إلى تجلط الدم وأمراض الجهاز التنفسي. ترتبط مستويات حمض اليوريك المرتفعة بمخاطر القلب والأوعية الدموية والنقرس. تؤكد الورقة على أهمية المستشعرات غير الغازية لتتبع هذه المستقلبات، مع تسليط الضوء على مزايا OECTs بسبب قدراتها على تضخيم الإشارة وتوافقها مع الركائز المرنة.
يقدم المؤلفون مستشعر إنزيمي قابل للارتداء جديد يدمج ترانزستور OECT ذو بوابة عائمة معدلة مع هيكل تكديس BBL-Nafion-enzyme-Nafion. يعزز هذا التكوين حساسية الاستشعار مقارنةً بالأقطاب الكهربائية التقليدية المصنوعة من البلاتين والأزرق البروسي. تم تصميم المستشعر للتكامل مع نظام ميكروفلويديك مرن وناعم، مما يتيح الكشف المتعدد لمستقلبات العرق مباشرة على الجلد. تم الإبلاغ عن حساسية الكشف للجلوكوز واللاكتات وحمض اليوريك بمقدار 92.47 و152.15 و74.27 µA•dec⁻¹، على التوالي، مما يظهر انتقائية المستشعر واستقراره وقدراته على الاسترداد.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية العرق كوسيلة غير غازية لمراقبة الحالات الفسيولوجية بسبب محتواه الغني من المستقلبات، بما في ذلك الجلوكوز وحمض اليوريك والكوليسترول واللاكتات. تم استكشاف استخدام ترانزستورات كهربائية عضوية (OECTs) للكشف عن هذه المستقلبات، مع تقدم ملحوظ في استشعار الجلوكوز. حقق العمل الأول الذي قام به ماكاي وآخرون حد الكشف (LOD) قدره 1 µM للجلوكوز باستخدام أكسيد الجلوكوز (GOx)، بينما خفضت التحسينات اللاحقة التي قام بها يان وآخرون حد الكشف إلى 10 نانومتر من خلال دمج مواد قائمة على الجرافين. عزز ويلش وآخرون استقرار المستشعر واستجابته من خلال الربط التساهمي لـ GOx بالقناة شبه الموصلة.
على الرغم من التقدم، لا تزال التحديات قائمة، خاصة فيما يتعلق بالتلوث الناتج عن المنتجات الثانوية الناتجة عن تفاعل الإنزيمات التي يمكن أن تؤثر على أداء المستشعر. تقدم ترانزستورات OECTs ذات البوابة العائمة (FG) حلاً من خلال فصل عمليات الاستشعار وتضخيم الإشارة، مما يقلل من التلوث. أظهرت الدراسات الحديثة فعالية OECTs ذات البوابة العائمة في الكشف عن مستقلبات مختلفة، بما في ذلك بيروكسيد الهيدروجين. تقترح الأبحاث الحالية نهجًا جديدًا من خلال استخدام بولي (بنزيديميدازوبنزوفينانثرولين) (BBL) في هيكل مكدس مع نافيون لتثبيت الإنزيم، بهدف تعزيز خصوصية واستقرار المستشعر. يمثل هذا العمل جهدًا رائدًا لدمج BBL في OECTs ذات البوابة العائمة للكشف المتعدد عن مستقلبات العرق، مما يمهد الطريق لتطبيقات قابلة للارتداء في المستقبل.
النتائج
تصف قسم النتائج الإطار التشغيلي لمستشعر إنزيمي يستخدم ترانزستور كهربائي عضوي ذو بوابة عائمة (FG OECT). يتكون المستشعر من مكونين رئيسيين: وحدة تضخيم الإشارة (AU) ووحدة الاستشعار (SU). تشمل AU مصدر (S) ومصرف (D) وقناة شبه موصلة وبوابة عائمة رئيسية (FG1) وإلكتروليت رئيسي، بينما تتميز SU ببوابة عائمة ثانوية (FG2) وبوابة تحكم (CG) وإلكتروليت ثانوي. يسمح هذا التصميم بفصل الإلكتروليت العازل للبوابة عن الإلكتروليت الناتج عن التفاعل البيوكيميائي، مما يسهل تحسين AU وSU بشكل مستقل.
يستخدم المستشعر أقطاب Ag/AgCl لكل من CG وFG1، مع بولي (3،4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين)-بولي (ستايرين سلفونات) (PEDOT:PSS) كمادة شبه موصلة. الإلكتروليت الرئيسي هو محلول NaCl بتركيز 100 مللي مول، بينما يحتوي الإلكتروليت الثانوي على مستقلبات مثل الجلوكوز واللاكتات وحمض اليوريك. يتيح تعديل FG2 بهيكل تكديس BBL-Nafion-enzyme-Nafion تحويل تركيزات المحلل إلى إشارات جهد. تقوم إنزيمات مثل أكسيد الجلوكوز (Gox) بتحفيز تفاعل الجلوكوز، مما ينتج عنه بيروكسيد الهيدروجين (H2O2)، والذي تتم معالجته بعد ذلك بواسطة فيلم BBL لتوليد جهد نيرنست الكهربائي. يتم وصف العلاقة التي تحكم هذا الجهد بالمعادلة \( E_{\text{Nernst}} = E_0 + \frac{kT}{ne} \ln\left(\frac{[OX]}{[Red]}\right) \)، حيث تمثل \([OX]\) و\([Red]\) تركيزات الأنواع المؤكسدة والمختزلة، على التوالي.
مناقشة
تناقش الأبحاث تطوير مستشعر إنزيمي قابل للارتداء يستخدم ترانزستورات كهربائية عضوية ذات بوابة عائمة (FG OECTs) معدلة بهيكل تكديس BBL-Nafion-enzyme-Nafion. يتناول هذا النهج المبتكر قيود الأقطاب الكهربائية التقليدية المصنوعة من البلاتين (Pt) ومحفزات الأزرق البروسي (PB)، والتي غالبًا ما تكون غير متوافقة مع تقنيات التصنيع القياسية. تم دمج طبقة BBL، المعروفة بحساسيتها العالية وتوافقها، بنجاح في عملية ميكروفابريكيشن متعددة الخطوات لإنشاء مستشعر مرن قادر على الكشف عن بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) ومستقلبات أخرى في العرق.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن الأقطاب الكهربائية الذهبية المعدلة بـ BBL أظهرت حساسية فائقة للكشف عن H₂O₂، حيث حققت نقلًا ذرويًا قدره 10.32 مليموز وفرق جهد دائري مفتوح (OCP) قدره 168.16 مللي فولت. أظهر المستشعر قدرات كشف فعالة للجلوكوز واللاكتات وحمض اليوريك، مع حساسية قدرها 92.47 و152.15 و74.27 µA•dec⁻¹، على التوالي. كشفت اختبارات الاستقرار عن انخفاض ضئيل في الناتج مع مرور الوقت، وحافظ المستشعر على أدائه تحت ظروف انحناء مختلفة، مما يبرز إمكانياته للتطبيقات العملية في مراقبة الصحة. بشكل عام، تقدم الدراسة تقدمًا واعدًا في تكنولوجيا الاستشعار الحيوي القابل للارتداء، مما يسهل التحليل الفوري لمستقلبات العرق على الجلد.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12951-025-03189-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39972358
Publication Date: 2025-02-19
Author(s): Jianlong Ji et al.
Primary Topic: Analytical Chemistry and Sensors
Overview
The research paper discusses the development of a wearable enzyme sensor utilizing organic electrochemical transistors (OECTs) for real-time monitoring of sweat metabolites, which are indicative of various health conditions. The glucose concentration in sweat, for instance, serves as a biomarker for diabetes, while abnormal lactate levels can signal thrombosis and respiratory diseases. Elevated uric acid levels are associated with cardiovascular risks and gout. The paper emphasizes the importance of non-invasive sensors for tracking these metabolites, highlighting the advantages of OECTs due to their signal amplification capabilities and compatibility with flexible substrates.
The authors present a novel wearable enzyme sensor that incorporates a floating gate OECT modified with a BBL-Nafion-enzyme-Nafion stacking structure. This configuration enhances sensing sensitivity compared to traditional platinum electrodes and Prussian blue. The sensor is designed for integration with a soft, flexible microfluidic system, enabling multiplexed detection of sweat metabolites directly on the skin. The reported detection sensitivities for glucose, lactate, and uric acid are 92.47, 152.15, and 74.27 µA•dec⁻¹, respectively, demonstrating the sensor’s selectivity, stability, and recovery capabilities.
Introduction
The introduction highlights the significance of sweat as a non-invasive medium for monitoring physiological states due to its rich metabolite content, including glucose, uric acid, cholesterol, and lactate. The use of organic electrochemical transistors (OECTs) for detecting these metabolites has been explored, with notable advancements in glucose sensing. Initial work by Macaya et al. achieved a limit of detection (LOD) of 1 µM for glucose using glucose oxidase (GOx), while subsequent improvements by Yan et al. reduced the LOD to 10 nM through the incorporation of graphene-based materials. Welch et al. further enhanced sensor stability and response by covalently bonding GOx to the semiconducting channel.
Despite the progress, challenges remain, particularly concerning contamination from enzyme-catalyzed byproducts that can affect sensor performance. Floating gate (FG) OECTs offer a solution by separating the sensing and signal amplification processes, thus minimizing contamination. Recent studies have demonstrated the efficacy of FG OECTs in detecting various metabolites, including hydrogen peroxide. The current research proposes a novel approach by utilizing poly(benzimidazobenzophenanthroline) (BBL) in a stacked structure with Nafion for enzyme immobilization, aiming to enhance the specificity and stability of the sensor. This work represents a pioneering effort to integrate BBL in FG OECTs for multiplexed sensing of sweat metabolites, laying the groundwork for future wearable applications.
Results
The results section describes the operational framework of an enzyme sensor utilizing a floating gate organic electrochemical transistor (FG OECT). The sensor comprises two main components: a signal amplification unit (AU) and a sensing unit (SU). The AU includes a source (S), drain (D), a semiconducting channel, a primary floating gate (FG1), and a primary electrolyte, while the SU features a secondary floating gate (FG2), a control gate (CG), and a secondary electrolyte. This design allows for the separation of the gate dielectric electrolyte from the biochemical reaction electrolyte, facilitating independent optimization of the AU and SU.
The sensor employs Ag/AgCl electrodes for both CG and FG1, with poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) as the semiconducting material. The primary electrolyte is a 100 mM NaCl solution, while the secondary electrolyte contains metabolites such as glucose, lactate, and uric acid. The modification of FG2 with a stacking structure of BBL-Nafion-enzyme-Nafion enables the conversion of analyte concentrations into voltage signals. Enzymes like glucose oxidase (Gox) catalyze the reaction of glucose, producing hydrogen peroxide (H2O2), which is then processed by the BBL film to generate an electrochemical Nernst potential. The relationship governing this potential is described by the equation \( E_{\text{Nernst}} = E_0 + \frac{kT}{ne} \ln\left(\frac{[OX]}{[Red]}\right) \), where \([OX]\) and \([Red]\) represent the concentrations of oxidized and reduced species, respectively.
Discussion
The research discusses the development of a wearable enzyme sensor utilizing floating gate organic electrochemical transistors (FG OECTs) modified with a BBL-Nafion-enzyme-Nafion stacking structure. This innovative approach addresses the limitations of traditional platinum (Pt) electrodes and Prussian blue (PB) catalysts, which are often incompatible with standard fabrication techniques. The BBL layer, known for its high sensitivity and compatibility, was successfully integrated into a multi-step microfabrication process to create a flexible sensor capable of detecting hydrogen peroxide (H₂O₂) and other metabolites in sweat.
Key findings indicate that the BBL-modified gold electrodes exhibited superior sensitivity for H₂O₂ detection, achieving a peak transconductance of 10.32 mS and an open circuit potential (OCP) difference of 168.16 mV. The sensor demonstrated effective detection capabilities for glucose, lactate, and uric acid, with sensitivities of 92.47, 152.15, and 74.27 µA•dec⁻¹, respectively. Stability tests revealed minimal output decay over time, and the sensor maintained performance under various bending conditions, highlighting its potential for practical applications in health monitoring. Overall, the study presents a promising advancement in wearable biosensing technology, facilitating real-time, on-skin analysis of sweat metabolites.